JP2011197001A - Flexible force or pressure sensor array using semiconductor strain gauge, manufacturing method of flexible force or pressure sensor array, and force or pressure measurement method using flexible force or pressure sensor array - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体ストレインゲージを用いたフレキシブルな力または圧力センサアレイに関する。さらに詳しくは、高い感度の半導体ストレインゲージを用い、柔軟性及び安全性を有する高分子フィルム層及びエラストマ層を構成する半導体ストレインゲージを用いた力または圧力センサアレイ、力または圧力センサアレイの製造方法、及び力または圧力センサアレイを用いた力または圧力測定方法に関する The present invention relates to a flexible force or pressure sensor array using a semiconductor strain gauge. More specifically, a force or pressure sensor array using a semiconductor strain gauge comprising a polymer film layer and an elastomer layer having flexibility and safety using a highly sensitive semiconductor strain gauge, and a method of manufacturing the force or pressure sensor array And a method of measuring force or pressure using a force or pressure sensor array
力または圧力センサアレイを製造するに際して、従来には、Ni/CrまたはCu/Ni金属層を用いてストレインゲージを構成したが、これはゲージファクターが、半導体ストレインゲージよりも50〜100倍程度に低いから、感度がその分だけ低下するという不都合がある。 In manufacturing a force or pressure sensor array, a strain gauge is conventionally formed using a Ni / Cr or Cu / Ni metal layer, but this has a gauge factor of about 50 to 100 times that of a semiconductor strain gauge. Since it is low, there is a disadvantage that the sensitivity is lowered accordingly.
半導体ストレインゲージは、単結晶又は多結晶シリコンに不純物を注入して製造したもので、ゲージファクターが150程度にかなり高く、高感度のセンシングが可能なメリットはあるが、柔軟性の不足と、ポリマ基盤工程と共に行えない既存の製造過程の問題点のため、柔軟かつ可撓性の力または圧力感知アレイへの応用は、制限があった。 A semiconductor strain gauge is manufactured by injecting impurities into single crystal or polycrystalline silicon, and has a merit that the gauge factor is as high as about 150 and enables high-sensitivity sensing. Applications to soft and flexible force or pressure sensing arrays have been limited due to problems in existing manufacturing processes that cannot be done with the substrate process.
一方、力または圧力に感応する伝導性ゴムやインク層を用いて、力または圧力センサアレイを形成したが、これは、大きさの小さい伝導性の金属粉末をゴムまたはポリマを母材として混合して作った混合材であって、力または圧力を受けると、母材が変形し、その中にある金属粉末間の間隔が細くなるか、互いに接触して電流が流れるパスが形成され、抵抗が減少するという性質を利用したものである。更に、大面積で安価に製造することができるため、既に、医療用、人体工学用の圧力分布測定素材として広く使用されているが、母材中に散らしている金属粒子の伝導によるため、繰返し性、再現性が大きく落ちるので、定量的な力または圧力分布の測定には限界があった。 On the other hand, a conductive rubber or ink layer that is sensitive to force or pressure was used to form a force or pressure sensor array, which consists of a small conductive metal powder mixed with rubber or polymer as a base material. When the material is subjected to force or pressure, the base material is deformed and the distance between the metal powders in it is reduced, or a path through which current flows is formed in contact with each other. It uses the property of decreasing. Furthermore, since it can be manufactured at a low cost with a large area, it is already widely used as a pressure distribution measurement material for medical use and ergonomics, but because of the conduction of metal particles scattered in the base material, it is repeatedly used. As a result, the measurement of quantitative force or pressure distribution is limited.
また、既存に抵抗マトリックスで構成された触覚センサアレイの一要素の抵抗変化を、周辺抵抗の干渉を受けることなく読むためには、0電位法(zero potential method or ground potential method)が使用されてきた。しかし、0電位法を具現するためには、複雑な電子回が必要であり、小さな触覚センサに統合されにくいという問題がある。したがって、触覚センサのサイズが小さくなり、アレイの個数が多くなるほど、信号処理を全て触覚センサの外部で行うことは、信号線の数も多くなり、ノイズの点でも問題が存在する。 In addition, the zero potential method (zero potential method or ground potential method) has been used in order to read the resistance change of one element of a tactile sensor array that is already composed of a resistance matrix without interference from peripheral resistance. It was. However, in order to implement the zero potential method, a complicated electronic circuit is required, and there is a problem that it is difficult to be integrated into a small tactile sensor. Therefore, as the size of the tactile sensor is reduced and the number of arrays is increased, performing signal processing outside the tactile sensor also increases the number of signal lines and causes a problem in terms of noise.
力または圧力分布が定量的に測定可能であり、且つ様々な曲面に取り付けられるように柔軟性と伸縮性を有し、容易に損傷しないように強固な構造と化学的な安全性を有し、触覚センサの内部で信号を前処理することができる新たなセンサアレイの必要が望まれている。 The force or pressure distribution can be measured quantitatively, and it has flexibility and elasticity so that it can be attached to various curved surfaces, and has a strong structure and chemical safety so as not to be easily damaged, There is a need for a new sensor array that can pre-process signals within the tactile sensor.
本発明は、前記のような必要により案出されたものであって、本発明の目的は、高い感度と線形性、繰り返し性、再現性を有する半導体ストレインゲージを使用し、かつ、高分子材料を用いて、柔軟性、伸縮性、及び強固性を同時に行う半導体ストレインゲージを用いた力または圧力センサアレイを提供する。 The present invention has been devised by the necessity as described above, and an object of the present invention is to use a semiconductor strain gauge having high sensitivity, linearity, repeatability, and reproducibility, and a polymer material. A force or pressure sensor array using a semiconductor strain gauge that simultaneously performs flexibility, stretchability, and robustness is provided.
そして、本発明の目的は、所定のアレイパターンを有する半導体ストレインゲージを構成する各単位体の抵抗変化を、フレキシブルCMOS回路により信号を処理することで、より正確な抵抗値、電圧値を測定し、回路構成を単純化し、触覚センサ内で信号を前処理する半導体ストレインゲージを用いた力または圧力センサアレイを提供する。 The object of the present invention is to measure a resistance change of each unit constituting a semiconductor strain gauge having a predetermined array pattern by processing a signal with a flexible CMOS circuit, thereby measuring a more accurate resistance value and voltage value. A force or pressure sensor array using a semiconductor strain gauge is provided that simplifies circuitry and preprocesses signals within the tactile sensor.
また、本発明の目的は、シリコン基板の力センサの性能を追求すると共に、シリコン基板のセンサが提供できない柔軟性と伸縮性を有するため、応用分野として、人工肌(特に、精密な力の測定及び制御を必要とするロボット指の肌)、タッチセンサ、触覚センサなどに様々に使用可能な半導体ストレインゲージを用いた力又は圧力センサアレイを提供する。 In addition, the purpose of the present invention is to pursue the performance of a silicon substrate force sensor and to have flexibility and stretchability that cannot be provided by a silicon substrate sensor. The present invention provides a force or pressure sensor array using a semiconductor strain gauge that can be used in various ways for the skin of a robot finger that requires control), a touch sensor, a tactile sensor, and the like.
本発明の目的は、複数の単位体が所定のアレイパターンで形成され、力または圧力により変形する半導体ストレインゲージと、フィルム面が互いに対向して接し、接するフィルム面の間に半導体ストレインゲージを含む一対の高分子フィルム層と、一対の高分子フィルム層のいずれか1つを絶縁層として、絶縁層の上下面に形成され、アレイパターンの各単位体に接続されて電極を形成し、各単位体の変形で出力される変形信号を外部に取り込む一対の信号線層とを備える基板と、基板内を含むように、基板の両面に形成された一対のエラストマ層とを含み、一対の信号線層は、絶縁層の一面に一方向に配列された複数の第1の信号線と、絶縁層の他面に一方向に垂直に配列された複数の第2の信号線とを含み、単位体の抵抗は、力または圧力に基づいて変化し、変形信号は、抵抗の変化に基づいて出力されることを特徴とする半導体ストレインゲージを用いたフレキシブルな力または圧力センサアレイとして達成することができる。 An object of the present invention includes a semiconductor strain gauge in which a plurality of unit bodies are formed in a predetermined array pattern and deforms by force or pressure, and a semiconductor strain gauge between the film surfaces that are in contact with and in contact with each other. One of the pair of polymer film layers and one of the pair of polymer film layers is formed as an insulating layer, formed on the upper and lower surfaces of the insulating layer, and connected to each unit body of the array pattern to form an electrode. A pair of signal lines including a substrate including a pair of signal line layers that take in a deformation signal output by body deformation to the outside, and a pair of elastomer layers formed on both sides of the substrate so as to include the inside of the substrate The layer includes a plurality of first signal lines arranged in one direction on one surface of the insulating layer and a plurality of second signal lines arranged perpendicular to the other surface of the insulating layer in one direction, The resistance of force or pressure Vary based on the deformation signal may be achieved as a flexible force or pressure sensor array using a semiconductor strain gauge, wherein the output based on the change in resistance.
第1の信号線及び前記第2の信号線は、CMOS回路を構成し、第1の信号線は、第1の信号線に定電流が流れるようにするP-MOSFETを設け、記基板は、第2の信号線それぞれの一端に接続された複数のスイッチと、スイッチを制御して、第2の信号線のいずれか1つに電流が流れるように、第2の信号線のそれぞれを順次スキャンするスイッチ制御部とを更に含むことを特徴とする。 The first signal line and the second signal line constitute a CMOS circuit, the first signal line is provided with a P-MOSFET that allows a constant current to flow through the first signal line, A plurality of switches connected to one end of each of the second signal lines, and each of the second signal lines is sequentially scanned so that a current flows through any one of the second signal lines by controlling the switches. And a switch control unit.
本発明によれば、第1に、本発明のセンサ構造は、簡単で強固である。すなわち、一般に、ストレインの拡大のため、広い薄膜(membrane)の構造をセンサの感知部として採ることになるが、ここでは、軟性のポリマ基板そのものが本発明の感知部として働くので、センサ構造は、理的に強固である。更に、ポリマは、通常、化学的不活性の材質であるため、本発明のセンサ構造は、化学的に安定している。第2に、半導体ストレインゲージは、無機シリコンにホウ素(Boron、B)といった不純物を注入し、ピエゾ抵抗を形成して製造されるので、信号の感度が極に優れている。また、力覚抵抗(Force Sensitive Resistor)を用いる方式と比較して、繰返し性、再現性に優れたメリットがある。
第3に、所定のアレイパターンを有する半導体ストレインゲージを構成する各単位体の抵抗変化を、CMOS回路信号処理方式を用いて、より正確に抵抗値及び電圧値を測定し、回路の構成を単純化し、また、触覚センサ内で信号を前処理することができるという効果がある。第4に、本発明の力センサアレイは、柔軟性と伸縮性を同時に有する。基板自体がポリマ系の材質であるため、前記基板は、曲げることも、伸ばすこともでき、前記半導体ストレインゲージとCMOS回路の材料である無機シリコンはよく折れ且つ硬いが、この厚さを極に薄く製造すると、機械的な柔軟性を確保することができ、コルゲート構造に製造すると、伸縮性も同時に有することができる。
According to the present invention, firstly, the sensor structure of the present invention is simple and robust. That is, in general, a wide membrane structure is adopted as the sensor sensing unit for the expansion of the strain, but here, since the flexible polymer substrate itself works as the sensing unit of the present invention, the sensor structure is Is reasonably strong. Furthermore, since the polymer is usually a chemically inert material, the sensor structure of the present invention is chemically stable. Secondly, since the semiconductor strain gauge is manufactured by injecting impurities such as boron (Boron, B) into inorganic silicon to form a piezoresistor, the sensitivity of the signal is extremely excellent. In addition, there is a merit excellent in repeatability and reproducibility as compared with a method using a force sensitive resistor.
Thirdly, the resistance value and voltage value of the unit body constituting the semiconductor strain gauge having a predetermined array pattern is more accurately measured using the CMOS circuit signal processing method, and the circuit configuration is simplified. In addition, there is an effect that the signal can be preprocessed in the tactile sensor. Fourthly, the force sensor array of the present invention has both flexibility and elasticity. Since the substrate itself is a polymer-based material, the substrate can be bent or stretched, and the semiconductor strain gauge and the inorganic silicon that is the material of the CMOS circuit are well folded and hard, but this thickness is extremely high. When manufactured thinly, mechanical flexibility can be secured, and when manufactured into a corrugated structure, it can also have stretchability.
<力または圧力センサアレイの構成及び作用>
図1аは、本発明の半導体ストレインゲージ110を用いた力または圧力センサアレイの1実施例を示す斜視図であり、図1bは、図1аに示した力または圧力センサアレイを層構成に分解した分解斜視図である。図1а及び図1bに示すように、本発明の実施例による力または圧力センサアレイは、基板10と、その基板の両面に接着された一対のエラストマ層20、30とから構成される。ここで、基板10には、高分子フィルム層と、複数の単位体111が特定のアレイパターンに配列された半導体ストレインゲージ110とが位置し、電極を形成する複数の第1及び第2の信号線140、150が基板に形成されている。また、基板の下部には、第1の信号線140に一定の電流が流れるようにする電流源141と、第2の信号線150のそれぞれの一端に接続されたスイッチ151と、スイッチを制御して第2の信号線150をリアルタイムでスキャンするスイッチ制御部160とがCMOS工程で形成された、CMOS回路層170を更に含む。
<Configuration and operation of force or pressure sensor array>
FIG. 1A is a perspective view showing an embodiment of a force or pressure sensor array using the
複数の単位体111のアレイパターンを有する半導体ストレインゲージ110は、半導体ストレインゲージが変形すると、抵抗の変化に基づいて、高いゲージファクターの優れた感度で力または圧力を感知する。そして、半導体ストレインゲージが全体の層構造において中間の中立軸に位置し、全体のセンサアレイが曲げても、ストレインは0である。
The
半導体ストレインゲージを構成する単位体111は複数設けられ、アレイパターンを有するように製造され、単位体111は、棒状又はバー状(bar-shaped)の同一の形状を有するように形成される。アレイパターンは、棒状の長さ方向の単位体がいずれも同一に配列するおうにして、大面積に力または圧力センスが均一に行われるようにし、各単位体111は、伸縮性を与えるため、図面の単位体とは異なり、その形状が波形態に製造され得る。各単位体111は、シリコンウエハ40に基づいて製造されるものであり、曲げ性を与えるため、100μm以下の厚さで製造される。
A plurality of
複数の単位体111がアレイパターンに配列される半導体ストレインゲージ110は、ポリイミド(PI)のような高分子フィルム層に形成される。高分子フィルム層は、電極間の絶縁層としても用いられるため、少なくとも2層以上の薄膜を有するように基板10が完成するのが好適である。本発明において、一対のエラストマ層20、30は、力(F)を最初に感知する感知部、及び保護膜として働く。一対のエラストマ層20、30の両面は、力または圧力感知の均一性を保障するため、同一の厚さ(約0.5〜10mm)で製造する。
The
そして、エラストマ層20、30(又は、ポリマ層)は、柔軟性と伸縮性を提供するため、本発明においてポリジメチルシロキサン(PDMS)層で形成した。本発明の実施例は、図1аに示すように、上部エラストマ層30に外部の力(F)が与えられると、半導体ストレインゲージの該当部位の単位体111が変形し、このような変形により抵抗が変化すると、複数の第1、2の信号線140,150を通じて所定の信号が出力され、本発明のセンサに与えられる力又は圧力が測定される。
The elastomer layers 20 and 30 (or polymer layers) are formed of a polydimethylsiloxane (PDMS) layer in the present invention in order to provide flexibility and stretchability. In the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1A, when an external force (F) is applied to the
図2は、図1аのА-А線に沿う断面図である。図2に示すように、本発明の基板10は、第1の高分子フィルム層120上に半導体ストレインゲージ110が配列され、各単位体111の一端に第1の信号線140が接続され、各単位体111の多端に第2の信号線150が接続されている。そして、基板10の上下面に、エラストマ層20、30が接着されている。
FIG. 2 is a sectional view taken along line А-А in FIG. As shown in FIG. 2, in the
半導体ストレインゲージ110が様々なアレイパターンに製造することができるが、曲げ性を与えるため、厚さを100μm以下にしなければならなく、電極形成のための複数の第1、2の信号線140,150の場合、望ましくは、CMOS回路を構成し、Au/Tiのような金属を用いて、パターニング工程及び金属蒸着(metal evaporation)などからなるCMOS工程で転写され、形成されることができる。
Although the
但し、第1の信号線140と第2の信号線150は、相互に絶縁しなければならないので、第1の信号線140と第2の信号線150との間には、絶縁層として第2の高分子フィルム層130が更に形成され、ホールを通じて、半導体ストレインゲージ110が第2の信号線150に接続されることができる。一方、第1、2の高分子フィルム層120、130は、回路及び導線を構成するために必要な構成であると共に、半導体ストレインゲージ110が膜に安着するようにする役目もする。このような第1、2の高分子フィルム層120、130のそれぞれは、0.5〜5μmの厚さを有するポリイミド(PI)薄膜層で形成されることができる。
However, since the
図3は、本発明の実施例による基板における第1、2の信号線140、150、スイッチ151、及びスイッチ制御部160を示す回路図である。図3に示すように、第1の信号線140の複数のY0、Y1…Yn−1は、各単位体111の一端に一方向に平行に接続され、第2の信号線150の複数のX0、X1…Xn−1は、各単位体111の多端に一方向に垂直に接続されている。また、複数の第1の信号線140は、P−MOESFETから構成され、入力電圧(Vin)が与えられる電流源141にバイアス電圧を供給して、第1の信号線140のそれぞれに常時定電流が流れるようになる。
FIG. 3 is a circuit diagram illustrating the first and
そして、図3に示すように、第2の信号線150の各一端には、スイッチ151が接続されている。スイッチ151のそれぞれには、スイッチ151を制御して、リアルタイムで第2の信号線150をスキャンするスイッチ制御部160が接続されている。したがって、スイッチ制御部160は、スイッチ151のいずれか1つを順次オン(on)状態とし、残りをオフ(off)にする。スイッチ制御部160は、デコーダなどで構成されることができる。したがって、外部から力または圧力が与えられると、抵抗値が変化する単位体111に接続された出力端で出力電圧(V0…Vn−2)が測定される。このような出力電圧により変化した抵抗及び電圧値が演算され、このような抵抗及び電圧値に基づいて、印加された力または圧力の値が測定される。
As shown in FIG. 3, a
このようなCMOS回路を用いる信号処理は、信号処理方式の好適な例示であるだけで、これに限るものではなく、特許発明の権利範囲は、特許請求の範囲により解析すべきである。 The signal processing using such a CMOS circuit is only a preferable example of the signal processing system, and is not limited thereto. The scope of the patented invention should be analyzed according to the claims.
<力または圧力センサアレイの製造方法>
図4は、本発明の半導体ストレインゲージ110を用いた力または圧力センサアレイの製造方法のフローチャートである。まず、シリコンウエハ40上で所定のアレイパターンを有する半導体ストレインゲージ110が製造される(S1100)。この製造された半導体ストレインゲージ110は、SOI(Silicon-On-Insulator)ウエハ又は単結晶シリコンウエハを用いて、アレイパターンの各単位体111の厚さが0.1μm〜100μmになるように製造され、特に、SOIウエハを用いる場合、エッチング膜が挿入されているので、半導体ストレインゲージ110の厚さを容易に調節することができる。
<Manufacturing method of force or pressure sensor array>
FIG. 4 is a flowchart of a method for manufacturing a force or pressure sensor array using the
次いで、この製造された半導体ストレインゲージ110が、ポリジメチルシロキサン媒体50を用いて、キャリアウエハ60に犠牲層62を挟んで積層された第1の高分子フィルム層120に転写される(S1200)。犠牲層62は、ポリメチルメタクリルレート(PMMA、アクリル樹脂)であり、この転写工程(S1200)は、1の高分子フィルム層120としてポリイミド薄膜層を用いて行われる。
Next, the manufactured
次いで、複数の第1の信号線140がアレイパターンの各単位体111の一端に接続されて、第1の電極を形成する(S1300)。 ここで、複数の第1の信号線は CMOS工程で転写・形成されることができ、複数の第1の信号線140が一方向に平行に配列して形成される。このような第1の信号線140は、P-MOSFETで構成され、電流源141により常時に定電流が流れるようになる。
Next, the plurality of
次いで、第2の高分子フィルム層130が複数の第1の信号線140の上部に積層されて、絶縁層が形成される(S1400)。ポリイミド薄膜層は、 第1の高分子フィルム層120と同様に、第2の高分子フィルム層130として用いられる。また、複数の第2の信号線150が第2の高分子フィルム層130の各単位体111の多端に接続されて、第2の電極を形成する(S1500)。更に、複数の第2の信号線150も、CMOS工程で転写・形成され、複数の第1の信号線140の配列方向に垂直に配列するように、複数の第2の信号線150が形成される。
Next, the second
ついで、第2の信号線150の一端のそれぞれにスイッチ151を接続され、スイッチ151のそれぞれをスイッチ制御部160に接続させる(S1600)。次いで、第1及び第2の高分子フィルム層と、半導体ストレインゲージ110と、複数の第1、2の信号線とらから構成された基板10が、所定の溶解剤による犠牲層62の溶解で分離される(S1700)。最後に、基板10が一対のエラストマ層20、30の間に挿入・接着されることで(S1800)、本発明の力または圧力センサアレイの製造方法が行われる。
Next, the
一方、ゲージ製造段階(S1100)において、シリコンウエハ40に、リソグラフィ印刷工程、イオン注入工程、及びエッチング工程が順に行われることで、所望するアレイパターンの半導体ストレインゲージ110が製造されることができる。これらの工程は、半導体ストレインゲージの製造において自明な工程であるので、その説明は省略する。上述したような一般の半導体ストレインゲージ110の製造工程の他にも、様々な製造工程があるが、低費用の工程として、単結晶シリコンウエハを用いたマイクロ構造体を抽出する方法[参考文献:A.J. Baca, et al., Adv. Func. Mater., 17, 3051(2007)]で半導体ストレインゲージ110を製造する工程(図5а〜図5d)が利用され得る。
On the other hand, in the gauge manufacturing stage (S1100), the lithography printing process, the ion implantation process, and the etching process are sequentially performed on the
図5а〜図5dは、本発明による半導体ストレインゲージ110を用いた力または圧力センサアレイの1構成において、半導体ストレインゲージ110の製造過程を順次示す工程断面図である。図5аに示すように、製造される半導体ストレインゲージ110を考慮して、単結晶シリコン112に所定のパターンで感光液113を塗布する。以後、金属蒸着で該当部位を除去し、RIE(Reactive Ion Etching)でレンチ114を形成した。その後、この状態でサイドウォール精製過程が行われると、図5bのような単結晶シリコンが完成する。
FIGS. 5A to 5D are process cross-sectional views sequentially showing a manufacturing process of the
以後、図5cに示すように、第1の保護膜115及び第2の保護膜116を順に形成するが、第1の保護膜115としてSi3N4/SiO2を用い、第2の保護膜116としてAu/Tiを用いる。次いで、CF4プラズマを用いたRIE過程とKOHエッチング過程を通じて、第1、2の保護膜115,116が部分的に除去され、最後に、第1、2の保護膜115、116を完全に除去すると、アレイパターンを有するSiリボン形態の単位体111の半導体ストレインゲージ110が完成する。
Thereafter, as shown in FIG. 5 c, the first
図6は、本発明の半導体ストレインゲージ110を用いた力または圧力センサアレイの製造方法において、半導体ストレインゲージ110を転写する状態を示す斜視図である。図6に示すように、ポリジメチルシロキサン媒体50(又は、PDMSスタンプ)を用いて、アレイパターンを有する半導体ストレインゲージ110を、ポリジメチルシロキサン媒体50の面積分だけ、シリコンウエハ40から離脱させるようになる。
FIG. 6 is a perspective view showing a state in which the
図7は、本発明の半導体ストレインゲージ110を用いた力または圧力センサアレイの製造方法のうち、キャリアウエハ60の層に半導体ストレインゲージ110が転写した状態を示す斜視図である。図7に示すように、キャリアウエハ60に犠牲層62を挟んで積層されている第1の高分子フィルム層120に半導体ストレインゲージ110が転写・積層される。ここで、第1の高分子フィルム層120は、ポリイミド薄膜層で形成され、犠牲層62は、ポリメチルクリルレート(PMMА、アクリル樹脂)でコーティングされている。
FIG. 7 is a perspective view showing a state in which the
図8は、本発明による半導体ストレインゲージ110を用いた力または圧力センサアレイの製造方法において、複数の信号線が配列した状態を示す斜視図である。図8に示すように、CMOS工程で信号線を転写して、複数の第1、2の信号線140、150を形成することで、CMOS回路を構成する。この点、きめ細かい導線パターニング作業、及びスピンコートのような他の工程が行われることができる。複数の第1、2の信号線140,150は、任意のX軸電極と、このX軸電極に垂直するY軸電極とが形成される。
FIG. 8 is a perspective view showing a state in which a plurality of signal lines are arranged in a method of manufacturing a force or pressure sensor array using the
<力または圧力の測定方法>
図9は、本発明による力または圧力センサアレイを用いた力または圧力測定方法を順次に示すたフローチャートである。図9に示すように、まず、フィルム面が互いに対向して接する一対の高分子フィルム層120、130の外側両面にそれぞれ、エラストマ層20、30がが接着され、エラストマ層20、30の少なくとも1つが、外部から力または圧力を受ける(S2100)。
<Measurement method of force or pressure>
FIG. 9 is a flowchart sequentially illustrating a force or pressure measuring method using the force or pressure sensor array according to the present invention. As shown in FIG. 9, first, elastomer layers 20 and 30 are bonded to both outer surfaces of a pair of polymer film layers 120 and 130 that face each other and face each other, so that at least one of the elastomer layers 20 and 30 is bonded. One receives force or pressure from the outside (S2100).
次いで、一対の高分子フィルム層120、130間に所定のアレイパターンを有する半導体ストレインゲージ110が位置し、力または圧力を受け、力が与えられた部分に隣接する単位体111の一部の抵抗が変化する(S2200)。CMOS回路を構成し、単位体それぞれの一端に接続された第1の信号線140には、定電流が流れることになる(S2300)。第1の信号線140は、前述したように、P-MOSFETで構成され、電流源により、常時定電流が流れるように構成される。
Next, the
そして、スイッチ制御部160は、第2の信号線の一端のそれぞれに接続されたスイッチ151を制御して、リアルタイムで第2の信号線150をスキャンする(S2400)。次いで、第2の信号線をスキャンした後、制御部(図示せず)は、変化した抵抗に基づいて出力された変形信号を、アレイパターンの各単位体111に接続された複数の第1、2の信号線を通じて受信する(S2500)。ここで、制御部は、数値演算と数値比較を実行可能なコンピュータでもあり、本発明の力または圧力センサアレイから信号を受信する入力ポートを備えるのが望ましい。
Then, the
次いで、制御部は、信号に基づいて、測定された抵抗値または測定された電圧値を演算する(S2600)。 最後に、制御部は、測定された抵抗値または測定された電圧値に基づいて、力または圧力の強さを出力することにより(S2700)、力または圧力センサアレイを用いた力または圧力測定方法が行われる。ここで、制御部の演算段階(S2600)と制御部の出力段階(S2700)との間には、制御部が各単位体111に対応してバッファーメモリ(図示せず)に格納しておいた初期抵抗又は初期電圧値を読み込む段階が更に含まれ、測定値と初期値とを比較して、その比例程度に基づいて、力又は圧力の強さを演算し、出力することが望ましい。
Next, the control unit calculates a measured resistance value or a measured voltage value based on the signal (S2600). Finally, the control unit outputs the strength of the force or pressure based on the measured resistance value or the measured voltage value (S2700), so that the force or pressure measurement method using the force or pressure sensor array is output. Is done. Here, between the calculation step (S2600) of the control unit and the output step (S2700) of the control unit, the control unit stores it in a buffer memory (not shown) corresponding to each
<力または圧力センサアレイの第1の変形例>
図10は、本発明による半導体ストレインゲージ110を用いた力または圧力センサアレイの第1の変形例として、棒状の単位体111が十字状に配列されたアレイパターンを簡略的に示す平面図である。図10に示すように、第1の変形例は、上記の実施例で記述した複数の棒状(又は、バー状)の単位体111、111′がアレイパターンに配列された2つの基板10を用意し、十字状となるように、基板10の単位体111に、他の基板10の対応する単位体111′が互いに重ねて形成されることができる。勿論、重ねて形成された2つの基板10の外側両面にそれぞれエラストマ層を接着して、本発明の力または圧力センサアレイが完成する。
<First Modification of Force or Pressure Sensor Array>
FIG. 10 is a plan view schematically showing an array pattern in which rod-shaped
<力または圧力センサアレイの第2の変形例>
図11は、本発明による半導体ストレインゲージ110を用いた力または圧力センサアレイの第2の変形例として、アレイパターンの上部に突起31構造を形成した状態を示す平面図であり、図12は、図11のB−B線に沿う断面図である。
<Second modification of force or pressure sensor array>
FIG. 11 is a plan view showing a state in which a
図11及び図12に示すように、各突起31がエラストマ30の表面となす境界線の下部で四方を向こうように配列したアレイパターンを有するように、半導体ストレインゲージ111а、111b、111c、111dが形成されている。このような突起31の構造は、荷重が集中すると共に、3軸方向の力または圧力を測定することができる構造である。
As shown in FIG. 11 and FIG. 12, the
上述した第1、2の変形例も、上述した製造方法と同一の製造方法で製造することができ、力または圧力の測定方法も、測定方向を除くと、同様に行われる。 The above-described first and second modifications can also be manufactured by the same manufacturing method as the above-described manufacturing method, and the force or pressure measurement method is similarly performed except for the measurement direction.
10: 基板
20、30: 一対のエラストマ層
31: 突起
40: シリコンウエハ
50: ポリジメチルシロキサン媒体
60: キャリアウエハ
62: 犠牲層
110: 半導体ストレインゲージ
111、 111'、 111а、111b、111c、111d: 半導体ストレインゲージの単位体
112: 単結晶シリコン
113: フォトレジスタ
114: トレンチ
115: 第1の保護膜
116: 第2の保護膜
120: 第1の高分子フィルム層
130: 第2の高分子フィルム層
140: 第1の信号線
141: 電流源
150: 第2の信号線
151: スイッチ
160: スイッチ制御部
170: CMOS回路層
10: Substrate
20, 30: A pair of elastomer layers
31: Protrusion
40: Silicon wafer
50: Polydimethylsiloxane medium
60: Carrier wafer
62: Sacrificial layer
110: Semiconductor strain gauge
111, 111 ′, 111а, 111b, 111c, 111d: Units of semiconductor strain gauge
112: Single crystal silicon
113: Photoregister
114: Trench
115: first protective film
116: Second protective film
120: First polymer film layer
130: Second polymer film layer
140: first signal line
141: Current source
150: Second signal line
151: Switch
160: Switch control unit
170: CMOS circuit layer
Claims (16)
前記基板内を含むように、前記基板の両面に形成された一対のエラストマ層とを含み、
前記一対の信号線層は、前記絶縁層の一面に一方向に配列された複数の第1の信号線と、前記絶縁層の他面に前記一方向に垂直に配列された複数の第2の信号線とを含み、前記単位体の抵抗は、前記力または圧力に基づいて変化し、前記変形信号は、前記抵抗の変化に基づいて出力されることを特徴とする半導体ストレインゲージを用いたフレキシブルな力または圧力センサアレイ。 A semiconductor strain gauge in which a plurality of unit bodies are formed in a predetermined array pattern and deformed by force or pressure, and a pair of polymers in which the film surfaces are opposed to each other and the semiconductor strain gauge is included between the contacting film surfaces A film layer and any one of the pair of polymer film layers as an insulating layer, formed on the upper and lower surfaces of the insulating layer, connected to each unit body of the array pattern to form an electrode, and each unit A substrate comprising a pair of signal line layers for taking in a deformation signal output by body deformation to the outside;
A pair of elastomer layers formed on both sides of the substrate so as to include the inside of the substrate;
The pair of signal line layers includes a plurality of first signal lines arranged in one direction on one surface of the insulating layer and a plurality of second signal lines arranged perpendicular to the one surface on the other surface of the insulating layer. And a resistance of the unit body is changed based on the force or pressure, and the deformation signal is output based on the change of the resistance. Force or pressure sensor array.
前記アレイパターンは、前記棒状の長さ方向を同一に有するパターンであることを特徴とする請求項1に記載の半導体ストレインゲージを用いたフレキシブルな力または圧力センサアレイ。 The unit body is rod-shaped,
2. The flexible force or pressure sensor array using a semiconductor strain gauge according to claim 1, wherein the array pattern is a pattern having the same rod-like length direction. 3.
前記アレイパターンは、前記各突起が前記表面となす境界線の下部で四方に向かうように配列されたパターンであることを特徴とする請求項4に記載の半導体ストレインゲージを用いたフレキシブルな力または圧力センサアレイ。 The pair of elastomer layers has a plurality of protrusions uniformly formed on the surface of any one of the elastomer layers,
5. The flexible force using the semiconductor strain gauge according to claim 4, wherein the array pattern is a pattern in which the protrusions are arranged in four directions below a boundary line formed with the surface. Pressure sensor array.
前記製造された半導体ストレインゲージを、ポリジメチルシロキサン媒体用いて、キャリアウエハに犠牲層を挟んで積層されている第1の高分子フィルム層に転写する転写ステップと、
複数の第1の信号線が一方向に平行に配列され、前記アレイパターンの各単位体の一端と接続されて、第1の電極を形成する第1の信号線形成ステップと、
第2の高分子フィルム層が前記複数の第1の信号線上に積層され、絶縁層を形成する絶縁層形成段階と、
複数の第2の信号線が前記一方向に垂直に配列され、前記第2の高分子フィルム層に前記各単位体の他端と接続されて、第2の電極を形成する第2の信号線形成段階と、
前記第1、2の高分子フィルム層、前記半導体ストレインゲージ、及び前記複数の第1、2の信号線から構成された基板を、所定の溶解剤による前記犠牲層の溶解で分離する基板分離ステップと、
前記基板を、一対のエラストマ層の間に挿入し、接着する基板接着段階とを含むことを特徴とするフレキシブルな力または圧力センサアレイの製造方法。 A gauge manufacturing step for manufacturing a semiconductor strain gauge having a predetermined array pattern on a silicon wafer;
Transferring the produced semiconductor strain gauge to a first polymer film layer laminated with a sacrificial layer sandwiched between carrier wafers using a polydimethylsiloxane medium;
A first signal line forming step in which a plurality of first signal lines are arranged in parallel in one direction and connected to one end of each unit body of the array pattern to form a first electrode;
An insulating layer forming step in which a second polymer film layer is laminated on the plurality of first signal lines to form an insulating layer;
A plurality of second signal lines are arranged perpendicular to the one direction, and are connected to the other end of each unit body on the second polymer film layer to form a second electrode. The formation stage;
A substrate separation step of separating the substrate composed of the first and second polymer film layers, the semiconductor strain gauge, and the plurality of first and second signal lines by dissolving the sacrificial layer with a predetermined dissolving agent. When,
A method of manufacturing a flexible force or pressure sensor array, comprising: a substrate bonding step of inserting and bonding the substrate between a pair of elastomer layers.
前記第2の信号線形成ステップの後に、前記第2の信号線の一端のそれぞれにスイッチを接続し、前記スイッチを制御して、リアルタイムで前記第2の信号線をスキャンするスイッチ制御部に前記スイッチを接続するステップを、更に含むことを特徴とする請求項9に記載のフレキシブルな力または圧力センサアレイの製造方法。 The first signal line forming step is a step of transferring a plurality of the first signal lines that allow a constant current to flow by a current source in a CMOS process, and connecting to one end of each unit body,
After the second signal line forming step, a switch is connected to one end of the second signal line, and the switch is controlled to scan the second signal line in real time. 10. The method of manufacturing a flexible force or pressure sensor array according to claim 9, further comprising the step of connecting a switch.
前記一対の高分子フィルム層の間に所定のアレイパターンを有する半導体ストレインゲージを配置し、前記力または前記圧力を伝達されて、抵抗が変化するステップと、
制御部が、前記変化した抵抗に基づいて出力される所定の信号を、前記アレイパターンの各単位体に接続された複数の第1,2の信号線を通じて受信する段階と、
前記制御部が、前記信号に基づいて、測定抵抗値または測定電圧値を演算するステップと、
前記制御部が、前記測定抵抗値または前記測定電圧値に基づいて、前記力または前記圧力の強さを出力するステップとを含むことを特徴とするフレキシブルな力または圧力センサアレイを用いた力または圧力測定方法。 Adhering a polydimethylsiloxane layer to each of the outer surfaces of a pair of polymer film layers that face each other and facing each other, and at least one of the polydimethylsiloxanes receives a force or pressure from the outside;
Arranging a semiconductor strain gauge having a predetermined array pattern between the pair of polymer film layers, and transmitting the force or the pressure to change the resistance;
A control unit receiving a predetermined signal output based on the changed resistance through a plurality of first and second signal lines connected to each unit body of the array pattern;
The controller calculates a measured resistance value or a measured voltage value based on the signal;
The control unit includes a step of outputting the force or the strength of the pressure based on the measured resistance value or the measured voltage value, or a force using a flexible force or a pressure sensor array, Pressure measurement method.
前記単位体それぞれの他端に接続され、前記第1の信号線とCMOS回路を構成する第2の信号線とのそれぞれの一端に接続されたスイッチを、スイチング制御部で制御して、前記第2の信号線をリアルタイムでスキャンするステップとを更に含むことを特徴とする請求項14に記載のフレキシブルな力または圧力センサアレイを用いた力または圧力測定方法。 Allowing a constant current to flow through a first signal line connected to one end of each of the unit bodies by a current source;
A switch connected to one end of each of the unit bodies and connected to one end of each of the first signal line and the second signal line constituting the CMOS circuit is controlled by a switching control unit, and The method for measuring force or pressure using a flexible force or pressure sensor array according to claim 14, further comprising: scanning two signal lines in real time.
前記制御部が、前記各単位体に対応してバッファーメモリに格納した初期抵抗値又は初期電圧値を読み込むステップを更に含み、
前記制御部の演算段階と出力段階との間に、
前記制御部が、前記各単位体に対応してバッファーメモリに格納した初期抵抗値または初期電圧値を読み込むステップを更に含み、
前記制御部の出力段階は、
前記制御部が、前記測定抵抗値と前記初期抵抗値とを比較するか、前記測定電圧値と前記初期電圧値とを比較し、前記力または前記圧力の強さを出力するステップであることを特徴とする請求項14に記載の力または圧力センサアレイを用いたフレキシブルな力または圧力測定方法。 Between the calculation stage and the measurement stage of the control unit,
The control unit further includes a step of reading an initial resistance value or an initial voltage value stored in a buffer memory corresponding to each unit body,
Between the calculation stage and the output stage of the control unit,
The control unit further includes a step of reading an initial resistance value or an initial voltage value stored in a buffer memory corresponding to each unit body,
The output stage of the controller is
The control unit compares the measured resistance value with the initial resistance value, or compares the measured voltage value with the initial voltage value, and outputs the strength of the force or the pressure. The flexible force or pressure measuring method using the force or pressure sensor array according to claim 14.
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